PCBN刀具的性能及其应用

魔神

    

立方氮化硼CBN(Cubic Boron Nitride)是20世纪50年代首先由美国通用电气(GE)公司利用人工方法在高温高压条件下合成的，其硬度仅次于金刚石而远远高于其它材料，因此它与金刚石统称为超硬材料。

CBN具有较高的硬度、化学惰性及高温下的热稳定性，因此作为磨料CBN砂轮广泛用于磨削加工中。由于CBN具有优于其它刀具材料的特性，因此人们一开始就试图将其应用于切削加工，但单晶CBN的颗粒较小，很难制成刀具，且CBN烧结性很差，难于制成较大的CBN烧结体，直到20世纪70年代，前苏联、中国、美国、英国等国家才相继研制成功作为切削刀具的CBN烧结体——聚晶立方氮化硼PCBN(Polycrystalline Cubic Boron Nitride)。从此，PCBN以它优越的切削性能应用于切削加工的各个领域，尤其在高硬度材料、难加工材料的切削加工中更是独树一帜。经过30多年的开发应用，现在已出现了用以加工不同材料的PCBN刀具材质。

1 PCBN刀具材料及其切削性能

1.1 PCBN刀具材料的种类

按添加成分分：有直接由CBN单晶烧结而成的PCBN和添加一定比例粘结剂的PCBN烧结体两大类；按制造复合方式分：有整体PCBN烧结块和与硬质合金复合烧结的PCBN复合片两类。目前应用较广的是带粘结剂的PCBN复合片，根据添加的粘结剂比例不同则PCBN硬度也不同，粘结剂含量越多则硬度越低、韧性越好；粘结剂种类不同，则PCBN的用途也不同，如表1所示为常见粘结剂的PCBN刀具及其用途。

表1 常见粘结剂的PCBN刀具及其用途

CBN含量(%)	粘结剂种类	主要用途
～60	TiN	淬火钢
～70	TiC	铸铁
～70	Al2O3	铸铁
～90	AlN	高强度铸铁
～80	Co	耐热合金钢铸铁

1.2 PCBN刀具的切削性能

由于CBN晶体与金刚石晶体都属闪锌矿型，且晶格常数相近，化学键类型相同，因而CBN具有接近金刚石的硬度和抗压强度，又因为其是由N、B原子所组成，因此具有比金刚石更高的热稳定性和化学惰性。PCBN刀具材料主要性能如下：

1) 具有很高的硬度和耐磨性。CBN单晶的显微硬度为HV8000～9000，是目前已知的第二高硬度的物质，PCBN复合片的硬度一般为HV3000~5000。因此用于加工高硬度材料时具有比硬质合金及陶瓷更高的耐磨性，能减少大型零件加工中的尺寸偏差或尺寸分散性，尤其适用于自动化程度高的设备中，可以减少换刀调刀辅助时间，使其效能得到充分发挥。

2) 具有很高的热稳定性和高温硬度。CBN的耐热性可达1400～1500℃，在800℃时的硬度为Al2O3/TiC陶瓷的常温硬度，因此，当切削温度较高时，会使被加工材料软化，与刀具间硬度差增大，有利于切削加工进行，而对刀具寿命影响不大。

3) 具有较高的化学稳定性。CBN具有很高的抗氧化能力，在1000℃时也不产生氧化现象，与铁系材料在1200～1300℃时也不发生化学反应，但在1000℃左右时会与水产生水解作用，造成大量CBN被磨耗，因此用PCBN刀具湿式切削时需注意选择切削液种类。一般情况下，湿切对PCBN刀具寿命无明显提高，所以使用PCBN刀具时往往采用干切方式。

4) 具有良好的导热性。CBN材料的导热系数低于金刚石但大大高于硬质合金，并且随着切削温度的提高，PCBN刀具的导热系数不断增大，因此可使刀尖处热量很快传出，有利于工件加工精度的提高。

5) 具有较低的摩擦系数。CBN与不同材料的摩擦系数在0.1～0.3之间，大大低于硬质合金的摩擦系数(0.4～0.6)，而且随摩擦速度及正压力的增大而略有减小。因此低的摩擦系数及优良的抗粘结能力，使CBN刀具切削时不易形成滞留层或积屑瘤，有利于加工表面质量的提高。

2 PCBN刀具应用于先进切削加工工艺

2.1 适用于高速及超高速切削加工技术

PCBN刀具最适合于铸铁、淬硬钢等材料的高速切削加工。图1示为PCBN刀具切削铸铁及淬硬钢时刀具后刀面磨损与切削距离的关系，可以看出：当切削速度超过一定限度后，切削速度越高，PCBN刀具后刀面磨损速度反而越小，即高速切削下刀具的寿命反而高，这一特点尤其适合现代高速切削加工。

图1 不同速度下PCBN刀具的磨损

2.2 硬态切削加工技术的最佳刀具材料

对淬硬件(硬度HRC55以上)的精加工，通常采用磨削加工方法来完成，然而随着刀具材料发展及车床(尤其是数控车床)加工精度的提高，以硬态切削代替磨削来完成零件的最终加工已成为一个新的精加工途径，这种以车代磨的工艺方法有以下优点：

1) 可提高加工柔性，突破了砂轮磨削的限制，通过改变切削刃及走刀方式可以加工出几何形状各异的工件；
2) 切削加工中的环保问题日益严峻，磨削加工产生的废液和废弃物越来越难以处理和清除，而且对人体有害，而硬态切削无须加冷却液，意义重大；
3) 切削效率高，加工时间短，设备投资费用小，可降低加工成本；
4) 切除相同体积所消耗的能量仅为磨削的20%，因此产生的切削热较少，加工表面不易引起烧伤和微小裂纹，易于保持工件表面性能的完整性；
5) 同样金属去除率情况下，硬态切削较磨削节省能源。

通常用于硬态切削的刀具材料有陶瓷、TiC涂层刀片及PCBN刀具材料，但要在较高速度(1000m/min以上)下进行硬态车削，PCBN是最佳刀具材料品种。如在汽车变速箱同步器套拨叉(材料为20CrMnTi，硬度为HRC58～62)加工采用以车代磨后，效率提高4倍以上，加工成本降低为原来磨削工艺的1/3～1/2。

2.3 进行干切削加工工艺的理想刀具材料

由于经济与环保方面的原因，近几年干切削加工方法已成为机械制造领域中的重点研究课题。我们首先来看一下湿切工艺由于使用切削液带来的问题：

1) 长期暴露在空气中或切削加工中由切削热造成的切削液雾状挥发，容易污染环境、危害操作者健康，切削液中的硫、氯等添加剂危害更大，影响加工表面质量；
2) 切削液的使用影响加工成本，据统计，切削液占生产成本的15%，而刀具费用仅占3%~4%；
3) 切削液的渗漏、溢出会污染环境，易发生安全、质量事故；
4) 切削液的传输、回收、过滤等装置及其维护费用较高，增加了生产成本。

由于以上原因，干切削加工工艺已在西方工业发达国家有了相当的应用。由美国Makino公司推荐的“红月牙”(Red Crescent)干切工艺，既可以充分发挥刀具的切削性能，与湿切相比又能大大提高生产率。其机理是由于切削速度很高，产生的热量聚集于刀具前部，使切削区附近材料达到红热状态，屈服强度下降，进而达到提高切削效率的效果。采用红月牙干切削工艺的前提条件是在较高切削温度下，被切材料强度有明显下降，变得易切削，而刀具材料的强度在同样状态下要有较好的红硬性及热稳定性，还要有较好的耐磨性和抗粘结性。

适用于干切工艺的刀具材料有陶瓷、金属陶瓷、涂层硬质合金及PCBN刀具材料等等 ，但就红硬性和热稳定性来说，PCBN材料是最适合干切工艺的刀具材料，且由于PCBN刀具材料具有上述优点，更适于高速条件下的干式切削加工，图2为用PCBN刀具切削灰口铸铁干切削和湿切削两种情况下的对比，可以看出：PCBN在高速干切情况下，比湿切削具有更高的刀具寿命。

图2 干切和湿切铸铁时PCBN刀具寿命的对比

2.4 适应于自动化加工及难加工材料加工

PCBN刀具有很高的硬度及耐磨性，能在高切削速度下长时间地加工出高精度零件（尺寸分散性小），大大减少换刀次数和刀具磨损补偿停机所花费的时间。因此，很适合于数控机床及自动化程度较高的加工设备，并且能使设备的高效能得到充分发挥。

在难加工材料应用方面，PCBN刀具也显示了其卓越的性能，如表面喷焊(涂)材料的加工，用其它材料刀具加工，刀具寿命极低，也无法采用磨削方法加工，而PCBN是惟一适合的刀具材料；又如，在石油电站设备中使用的高合金耐磨铸铁，采用PCBN刀具较硬质合金刀具提高切削效率4倍以上，单件刀具成本下降为原来的1/5。另外在硬质合金等烧结材料的切削加工方面，PCBN刀具也显示了很好的切削性能。

2.5 PCBN刀具的应用事例

由于PCBN具有较高的硬度和耐磨性，在高温下不与铁族金属起反应的化学惰性，因此主要用于高硬度材料及难加工材料的切削加工，如淬硬钢、高合金耐磨铸铁、高温合金、高速钢、表面喷焊材料、烧结金属材料等难加工材料的切削加工。

1) 加工淬硬钢，可起到以车代磨的效果，由于切削深度比磨削深度大十几倍以上，因此加工效率高，表面不产生烧伤。如以车代磨加工变速滑动齿轮(20CrMnTi，硬度为HRC 58～62)时，切削比原磨削加工效率提高4倍以上。

2) 加工高合金(含钨或铬18%)耐磨铸铁，切削速度较硬质合金刀具提高10倍以上，切削效率提高4倍以上。

3) 加工高钴铬钼耐蚀耐热合金，PCBN刀具切削速度为160m/min，是硬质合金刀具的8倍。

4) 加工热喷涂(喷焊)材料，表面喷焊件无法用磨削加工，而用硬质合金刀具切削效率极低，改用PCBN刀具后可提高加工效率，节省加工费用50%以上。PCBN刀具还可用于有色金属的精密切削及烧结金属的切削加工等等。

3 PCBN刀具使用上的注意点

如果正确选择切削用量、刀具几何参数及其他加工条件，则PCBN是一种高效长寿命刀具，能创造很高的经济效益，但如果使用方法不当，则会造成很大的浪费。

1) 合理选择切削用量：切削速度要根据被加工材料进行选择，一般要大大高于硬质合金刀具。切削硬度HRC55～65的淬硬钢可选切削速度为80～120m/min，由于PCBN切削硬材料是将切削区内微小区域的金属软化而进行的，因此切削速度过低时，就不能发挥PCBN刀具的切削性能。进给量一般不能大于0.2mm/r，背吃刀量一般选择小于0.3mm。

2) 合理选择刀具几何参数：由于PCBN刀具的韧性高于陶瓷，低于硬质合金，因此刀具几何参数的选择主要考虑的就是保证刃口强度，刀具前角一般选择(0°～-10°)，后角选择较小，为10°左右。除特殊要求外，为保证刀尖强度，刀尖角一般不要小于90°；刃口要磨出负倒棱，一般取为0.2mm×(-15°～-30°)，使用前要用30～50倍放大镜对刀具进行检查，确保刃口无崩刃。

3) 冷却与润滑：对其他材料刀具，采用冷却润滑液有利于提高加工表面和延长刀具寿命，但对PCBN刀具除极特殊情况下，不加冷却液同样可达到理想的加工质量和较长的刀具寿命，对PCBN刀具来说是怕软不怕硬。若使用冷却液，则不能使用水溶性冷却液，因为CBN易在1000℃产生水解作用，造成刀具严重磨损。

4) 对机床的工艺系统：由于PCBN刀具多用于淬硬钢及耐磨铸铁等难加工材料的切削加工，且刀具有负倒棱，因而径向力较大。这就要求机床刚度和精度要好，系统振动要小，刀具安装时悬臂要小，PCBN刀具不宜用于荒面加工。

目前，虽然PCBN刀具材料的价格相对硬质合金及陶瓷刀具的价格还偏高，但均摊到每个工件上的刀具成本却低于其他材料刀具，采用先进切削加工工艺时，若将磨削机床等设备投资摊入生产成本，则PCBN刀具的使用会带来更大经济效益。对一般中小企业来说，精加工工序的磨削加工始终是制造过程的瓶颈，若购置性能好的车床，采用PCBN刀具，应用以车代磨等先进切削加工工艺，即可节省设备投资、提高生产率，又可大大增加加工过程的柔性。另外，目前由于人员费用的增大及环境保护方面的要求，大力推广使用PCBN刀具，充分发挥其潜在效能，提高切削加工技术水平也是具有重要意义的。